Sekundární metabolismus a obranné reakce rostlin

Prezentace na téma: "Sekundární metabolismus a obranné reakce rostlin"— Transkript prezentace:

1 Sekundární metabolismus a obranné reakce rostlin
Liší se od primárního – stavební a energetické látky. Sekundární – zejména obrana rostlin, strukturální zpevnění rostlin a interakce s okolním prostředím. Sekundární metabolismus,

2 Kutin, vosky a suberin Vosky – kyselé silně hydrofóbní lipidy, C alkoholy, alkany, ketony, synthetizované epidermálními buňkami, jsou vytvořeny z hydrofóbních látek, krystalizují na povrchu Kutin, suberin, vosky, hydrofóbní látky.

3 Kutin, vosky a suberin suberin – v endodermis kořene, ale i v korkových buňkách (periderm), složení podobné kutinu, dikarboxylové kys., nejen v kořeni, ale i v korkových buňkách peridermu, listové abscise, poranění Suberin, dikarboxylové kyseliny, abscise.

4 Kutin, vosky a suberin kutin na povrchu nadzemních částí-kutikula + kutan, 16:0 a 18:1 MK + OH Kutin, kutikula, kutan,

5 Kutin, vosky a suberin Kutin, vosky, suberin, mastné kyseliny, 5

6 Kutin, vosky a suberin redukují transpiraci a invazi patogenů
Rostliny z aridních oblastí silné vrstvy a naopak, členitost a tloušťka povrchu zpomaluje transpiraci Nemají vliv na resistenci rostlin vůči patogenům: ti se dostávají dovnitř mechanicky nebo pomocí kutinasy Redukce transpirace, patogen, kutin, aridní oblast, kutinasa.

7 Sekundární metabolity
Sekundární produkty nebo přírodní látky Nemají žádný přímý vliv na růst a vývoj rostlin, v procesech fotosyntézy, respirace, transportu, diferenciace, růstu, tvorby proteinů, cukrů a tuků Nemají obecný výskyt v rostlinách, jsou specializované Dříve význam neznámý, používali se hlavně v medicíně, barviva, jedy, průmyslové materiály Nyní – významné ekologické funkce, vyvinuly se vlivem evoluce A)Obrana rostlin vůči herbivorům a patogenům B)Atraktanty pro opylovače, přenašeče semen a interakce rostlina-rostlina C)Kompetice rostlin a symbióza rostlin-mikroorganizmů 3 hlavní skupiny: terpeny,fenoly, N-obsahující sloučeniny Sekundární metabolity, růst, evoluce, herbivor, patogen, traktanty, kompetice,

8 Propojení primárního a sekundárního metabolismu
Primární a sekundární metabolismus,Acetyl CoA,

9 Terpeny/terpenoidy (někdy isoprenoidy)
Synthetizovány z acetyl-CoA isoprenoidní základ C10-mono-, C15-sesqui-,C20-di-, C30-tri-, C40-tetraterpeny a polyterpenoidy 2 dráhy – mevalonová (iPP) a methylerythritol fosfátová dráha (MEP) – chloroplasty (DMAPP) IPP + isomer DMAPPgeranylPPfarnesylPPGGPP Terpeny, isoprenoidy, acetylCoA, isoprenoidní dráha,

10 Terpeny/terpenoidy (někdy isoprenoidy)
Růstově regulační funkce – brassinosteroidy, ABA-C15, GA-C20, karotenoidy-C40 Toxiny vůči herbivorům, pyrethroidy (C10)- Chrysanthemum – insekticidy, jehličnany x hmyz Esenciální oleje – monoterpeny v bazalce, citronu-limonen, šalvěji, mátě – menthol, repelenty – grandulární trichomy, parní destilace – parfémy, repelentní vlastnosti Brassinosteroidy, karotenoidy, toxiny, esenciální oleje,

11 Terpeny/terpenoidy (někdy isoprenoidy)
Netěkavé – limonoidy (C30) –hořká látka v citrusech – antiherbivory, azadirachtin - Azadirachta indica -potravní odpuzovač pro hmyz - komerční produkt, netoxický pro živočichy Phytoekdysony – Polypodium vulgare - zastavení zakuklení Limonoidy, Phytoekdysony, terpeny,

12 Terpeny/terpenoidy (někdy isoprenoidy)
Kardenolidy – triterpeny a glykosidy – hořké a jedovaté, srdce – vliv na Na+/K+ aktivované ATP-asy (náprstník -Digitalis) Saponiny (mýdlové vlastnosti) – steroidní a triterpenové glykosidy – detergenty, jedovaté, vážou steroidy v těle a porušují také membránu Triterpenické saponiny Jsou velmi hojně zastoupeny ve dvouděložných rostlinách v řadě čeledí. Lékořice lysá (Glycyrrhiza glabra L.) je vytrvalá bylina, která se pěstuje i u nás na jižní Moravě. Drogou jsou usušené kořeny, které se vybírají na podzim ve 3. až 4. roce. Hlavní obsahovou složkou s 5 – 15 % je sladký glykosid glycyrrhizin, který je asi 50krát sladší než sacharosa. Droga působí jako expektorans, diuretikum, mírné projímadlo a korigens chuti. Glycyrrhetin má antibiotické a protizánětlivé účinky. Značné množství drogy se zpracovává pro potravinářské účely. Je součástí oficiálních přípravků: diuretický čaj, žaludeční čaj, plicní čaj. Další vytrvalou bylinou obsahující saponiny v oddenku a kořenech je prvosenka jarní (Primula veris L.). Sbírá se v době kvetení, obsahuje 5 – 10 % saponinů, hlavním je kyselina primulová. Působí expektoračně při zánětu průdušek a mírně diureticky. Je součástí přípravků Tussilen, Pleumolysin kapky, Solutan, Benephorin. Kolem 15 % saponinů je obsaženo v plodech jírovce maďalu (Aesculus hippocastanum L.), stromu, který je domácí na Balkáně a Kavkazu. Nejvýznačnější z nich je aescin. Používá se hlavně při edémech, hemeroidech, křečových žilách a bércových vředech. Léková forma: Anavenol. Droga se dává i do léčebné kosmetiky. Mydlice lékařská (Saponaria officinalis L.) dala celé skupině těchto glykosidů jméno. Je to vytrvalá bylina rostoucí i u nás, sbírá se kořen v době květu. Obsahuje asi 5 % bohaté směsi saponinů. Používá se rovněž jako expektorans a diuretikum. Průtržník lysý nebo chlupatý (Herniaria glabra L., H. hirsuta L.) obsahuje saponiny v nati. Ty zabraňují pravděpodobně spojování močového nebo ledvinového písku do větších kamenů a podporují jeho vylučování. Přeslička rolní (Equisetum arvense L.) je jediná přeslička s léčivými účinky. Roste všude jako nepříjemný plevel, sbírá se letní nať, která se suší. Droga se používá jako diuretikum, podporuje tvorbu bílých krvinek, zvyšuje srážlivost krve a má desinfekční účinky na hnisavé rány. V lidovém léčitelství se používala pro léčení tbc, ale tento vliv nebyl později prokázán. Je v čajových směsích diuretických a Alvisan. Na pastvinách a loukách roste běžně vytrvalá bylina krvavec toten (Sanguisorba officinalis L.), jejíž oddenek obsahuje 17 – 20 % tříslovin a 4 % saponinu sanguisorbinu. Droga je složkou čaje Tormentan a působí protiprůjmově díky tříslovinám, hojí vředy a rány, nemoci dásní a krvácivost z dásní. Vyrábí se z ní prášek ke šňupání při krvácení z nosu. Kardenolidy, Saponiny, Triterpenické saponiny,

13 Fenolické sloučeniny Obsahují fenolickou skupinu, více jak sloučenin, rozpustné kyseliny i nerozpustné komplexy – ochrana vůči herbivorům a patogenům mechanická opora, atrakce opylovačů, absorpce UV záření, allopathie Biosyntézy vychází z fenylalaninu – 2 dráhy – šikimátová a kys. malonové, inhibitorem šikimátová je glyfosát – Roundup - herbicid, není ve zvířatech, proto některé AK esenciální –fenylalanin, tyrosin a tryptofan. Nejdůležitější je fenylalanin-amoniaklyasa (PAL), tvorba kys. skořicové – přechod mezi primárním a sekundárním metabolismem – indukovaná stresem, patogeny, atd. na úrovni transkripce. Přidáním OH-skupin – p-kumarové → fenylpropanoidy. Fenolický, ochrana, Roundup, allopathie

14 Fenolické sloučeniny Phenylpropanoidy – jednoduché fenoly – C6-C3 , p-kumarová, t-sinapová, kávová – výstavba ligninu Fenylpropanoidové laktony C6-C3 – kumariny Benzoové kyseliny C6-C1 Tyto fenolické sloučeniny slouží k obraně rostlin. Furanokumariny- jsou fototoxické – aktivované UV-A (320 – 400nm) – umbeliferon – inserce do DNA,blokují transkripci a DNA repair, jedovaté, mutagenní, Umbelliferace – celer, petržel, pastiňák, …vysoké koncentrace u stresovaných a nemocných rostlin – puchýře, atd. Allelopatie – vliv na růst okolních rostlin – inhibice – kávová a ferulová Phenylpropanoidy, Fenylpropanoidové, Benzoové kyseliny

15 Alelopatie u kulturních rostlin a plevelů
inhibiční vliv žita (Secale cereale) na hořčici rolní (Sinapis arvensis), ale naopak stimulační vliv na mák vlčí (Papaver rhoeas) merlík bílý (Chenopodium album) pýr plazivý (Elytrigia repens)(agropyren – přírodní glykosid) Alelopatie, inhibice, stimulace, glykosid.

16 Fenolické sloučeniny Lignin-struktura není známá-složen z pfenylpropanoidních alkoholů- koniferyl, fumaryl a sinapyl, vázán na celulózu-zpevnění tracheid, snižuje digestibilitu celulózy, infekčnost, zranitelnost . Lignin je důležitou stavební složkou dřeva zabezpečující dřevnatění jeho buněčných stěn. Obsah ligninu tvoří zhruba procent hmotnosti dřeva a je vyšší u jehličnanů než u listnáčů. Lignin je po celulóze druhou nejčastější organickou sloučeninou na Zemi, tvoří 25 % rostlinné biomasy. V největším množství se objevuje v buněčných stěnách sekundárních buněk, které tvoří xylémové cévy a tracheidy. Vyskytuje se také v obilovinách, otruby obsahují kolem 8 % ligninu. Lignin, koniferyl, fumaryl ,sinapyl

17 Flavonoidy 4 skupiny: anthokyaniny, flavony, flavonoly a isoflavony – největší skupina fenolických látek-15C, C6-C3-C6 – struktura z obou biosyntetických drah: malonová a šikimátová, silně substituované hydroxyly, methyly, isopentenyly a cukry v různých polohách Flavonoidy, anthokyaniny, flavony, flavonoly, isoflavony

18 Flavonoidy Anthokyanidiny – barevné pigmenty – opylovači – červená, modrá, fialová barva, mají cukr v pozici 3 – anthokyany, vlin pH na barvu. Anthokyanidiny, anthokyany, pH

19 Flavonoidy Flavonoidy – 2 hlavní skupiny – flavony a flavonoly - chrání proti UV – absorbují krátké vlnové délky, nevidíme je, hmyz ano – tvoří kruhy, tečky, pásky – nektarová vodítka, chrání listy od UV-B ( nm) – v epidermální vrstvě, viditelné světlo může projít, mutanti A.thaliana se nízkou hladinou flavonoidů rostou velmi málo – chalkon-syntasa, modulátory polárního transportu auxinů, interakce bobovitých s hlízkovými bakteriemi Flavonoidy, flavony , flavonoly , chalkon-syntasa,

20 Flavonoidy Isoflavonoidy – antibakteriální látky, regulace fertility – jetel – antiestrogenní účinky u ovcí - fertilita, protinádorová aktivita i u potravin ze sóji, fungují jako fytoalexiny – po napadení rostlinou syntetizovány jako antimikrobiální látky Isoflavonoidy, fytoalexiny, antimikrobiální látky

21 Taniny (třísloviny) Taniny – fenolické polymery, používány pro tříslení kůží; taniny váží kolagen a zvyšují tak rezistenci kůže vůči mikrobům, vodě, teplu. Kondenzované a hydrolyzovatelné taniny (kondenzované anthokyanidy nebo kys. galová s jednoduchými cukry) – antifeeding vlastnosti (toxiny), v nezralém ovoci, trpkost – preference u lidí v potravě – víno, čaj, pivo – „French paradox“, někdy se jim říká polyfenoly,blokují endothelin-1: reguluje konstrikci cév; jsou ve skutečnosti toxické – váží se hydroxy skupinou na proteiny, některé taniny (quinony) se váží kovalentně na proteiny a snižuje se stravitelnost u potravy u herbivorů, blokují trávící enzymy, adaptace zvířat – někteří hlodavci produkují na prolin bohaté bílkoviny Taniny, kys. galová , quinony, prolin

22 Dusíkaté sloučeniny Alkaloidy
mají N ve struktuře – alkaloidy a kyanogenní glykosidy, toxické, medicínské využití, syntetizovány většinou z AK – lysin, tyrosin, tryptofan Alkaloidy Asi sloučenin, mají heterocyclický kruh, farmakologické použití, jsou alkalické, N je protonován (pH 7.2), proto ve vodě rozpustné, ochrana vůči predátorům – úmrtí zvířat – Lupinus, Delphium, Senecio – domácí zvířata nemají enzymy degradace oproti divokým, rovněž toxické pro člověka – strychnin, atropin, koniin, morfin, kodein – medicína alkaloidy , kyanogenní glykosidy, lysin, tyrosin, tryptofan

23 Dusíkaté sloučeniny Pyrrolizidinové alkaloidy – příklad adaptace živočichů – netoxické N-oxidy – redukce na toxické ve střevním traktu, Tyria jacobeae (můra rumělková) – oxidace a skladují tuto látku jako ochranu proti predátorům Pyrrolizidinové alkaloidy, střevní trakt

24 Dusíkaté sloučeniny Řada alkaloidů produkovány houbami, které jsou v symbiose s rostlinami – trávy, kostřavy mohou mít vysokou hladinu, trávy lépe rostou, jsou c pro živočichy!! Nikotin – rovněž pro ochranu rostlin vůči herbivorům, zvyšuje se koncentrace po prvním napadení, u divokého N. attenuata Alkaloidy, houba, symbiosa, Nikotin

25 Kyanogenní glykosidy (KG)
Nejsou toxické, ale uvolňují jedovatý HCN, 2 skupiny – glykosidy a glukosinoláty, vázány na cukry – hydrolýza glykosidasou – kyanohydrin a poté hydroxynitrillyasou na HCN, nejsou degradovány v rostlinách, enzymy v různých pletivech, semena, trávy, růže, vikvovité, při požeru jsou narušena pletiva a smíchání enzymů a vzniká jedovatý HCN, čirok – dhurrin ve vakuolách, enzymy v mezofylu, HCN inhibuje metalloproteiny, např. cytochromoxidasu v mitochondriích klíčový enzym respirace. Kasava(Manihot) – hlavní jídlo v tropech, strouhání, mletí, namáčení a sušení vede k odstranění většiny KG, přesto řada otrav, snaha snížit obsah KG, obtížné, KG jsou důležité pro skladování Kyanogenní glykosidy, kyanohydrin, dhurrin, metalloproteiny, cytochromoxidasa

26 Glukosinoláty Hořčičné oleje, hořčice, rozklad vede k tvorbě těkavých látek, obecně Brassicaceae, rozklad thioglukosidasou a mirosinasou – glukosa z vazby na S, tvorba isothiokyanátů a nitrilů, antifeeding pro herbivory, enzymy rovněž separátně, někteří herbivoři – bělásek – využívají jako stimulans pro snášení vajíček, snaha mít řepku s nízkým obsahem glukosinolátů v semenech a vysokým v listech Glukosinoláty, Brassicaceae, isothiokyanáty, antifeeding,

27 Neproteinové aminokyseliny
Kanavin – podobný argininu, toxický, inkorporuje se místo argininu z rostlin do zvířecích proteinů, ty jsou poté nefunkční, je zároveň méně bazický, nižší vazba substrátů Canavalia ensiformis, má systém, který neumožňuje zabudování kanavinu do vlastních proteinů, to mají i adaptovaní živočichové Neproteinové aminokyseliny, Kanavin, ,

28 Obrana rostlin vůči herbivorům
Konstitutivní a indukované obranné reakce Konstitutivní – stále přítomny, většina popsaných látek Indukované obranné reakce – syntéza pouze po napadení, menší investice energie 3 kategorie hmyzích herbivorů Konzumenti floému: mšice a molice – téměř žádné poškození, reakce více jako na patogeny Škůdci buněk: roztoči a třásněnky – poškozují fyzicky buňky. Žvýkající hmyz – motýly, brouci,.. významné poškození rostliny. Rostliny reagují nejen na poškození, ale i na elicitory ve slinách; specifická reakce. Elicitory jsou většinou konjugáty mastných kyselin s aminokyselinami (glutamin) → volicitin. Naopak kys. jasmonová je syntetizována jako reakce na fyzické poškození rostlin. Tvorba podobná eikosanoidům u savců. Indukce tvorby kys. jasmonové (JA), ale i ABA, SA –regulace transkripčních faktorů, např. indukce exprese proteinásových inhibitorů (inhibitor -amylasy), alkaloidů, … jasmonová z kys. linolenové, mutanti A. thaliana s nízkou hladinou JA – snadno likvidovány hmyzem a houbami, klíčová signální látka, emitována ve formě methylesteru během několik minut. Emitují se i další těkavé látky – aldehydy, estery,.. které atrahují predátory, parazity,.. – komplexní ekologické a specifické reakce. Obrana rostlin, Elicitory, glutamin, kys. jasmonová ,,

29 Biosyntéza kyseliny jasmonové

30 Obrana rostlin vůči herbivorům
Většinou tyto mechanismy nefungují, až po napadení-indukované obranná reakce 1) Poškozené listy syntetizují prosystemin (prekurozorový protein – 200AK) 2) Proteolýza na 18AK systemin – polypeptidický hormon 3) Systemin do napadených částí, vazba na receptor. 4) Receptor je fosforylován aa aktivuje fosfolypasu A2. 5) Ta indukuje tvorbu kys. jasmonové (JA), ale i ABA, SA – transport po rostlinně, systematická reakce 6 ) Indukce exprese proteinásových inhibitorů. Systeminový receptor homologní s receptorem na brassinosteroidy!! Prosystemin, Proteolýza, Systemin , kys. jasmonová ,

31 Nemocná rostlina a obrana rostlin vůči patogenům
Rostliny nemají imunitní systém a přitom jsou silně rezistentní vůči bakteriím a houbám. Mechanismy obrany: 1)Antimikrobiální látky - saponiny, triterpeny, snížení hladiny vede ke snížení rezistence 2) Hypersensitivní reakce – infekcí indukovaná protektiva – je preferována. Menší náklady rostlin na obranu. Jednou z reakcí je hypersensitivní odpověď – obklopující buňky odumírají, reaktivní kyslíkové radikály OH,  O2, H2O2, NADPH-dependentní oxidasy v plazmatické membráně, lipidová peroxidace, enzymová inaktivace, degradace DNA, RNA, buněčná smrt. Indukce produkce NO následuje - jako sekundární přenašeč. 3) Syntéza ligninu a kalosy – fyzická blokace postupu patogena, cross-link na prolin bohatých proteinů H2O2 - růst rezistence. 4) Tvorba hydrolytických enzymů, které napadají buněčnou stěnu patogena – degradují chitin – patogen-related proteins – chtinasy, glukanasy + další hydrolasy. 5)Produkce fytoalexinů – antimikrobiální látky produkované po napadení , např. isoflavonoidy u luštěnin, seskviterpeny u Solanaceae, po napadení iniciace genové exprese a de novo syntéza, první příklad – overexprese resveratrolu – více rezistentní rostliny k patogenům, camexalin u A. thaliana rovněž rezistentní Rezistence, Antimikrobiální látky , Hypersensitivní reakce , hydrolitické enzymy, fytoalexiny,

32 Napadená rostlina a tvorba fytoalexinů
Fytoalexiny, Napadená rostlina , medicarpin, glyceollin, capsidiol,

33 Napadená rostlina - obrana rostlin vůči patogenům
Rozpoznávání látek patogena – R geny, kódují receptory rozpoznávající produkty patogena, tzv. elicitory (peptidy, steroly, polysacharidy), mají leucine-rich domain (LRR) na rozpoznávání,nachází se na membráně i uvnitř buněk, kodují ATP a GTP vazebné domény a kinasy signálních kaskád, geny avirulence (avr) kodují elicitory u patogena – rostliny rozpoznávají určitého patogena Indukce signálních kaskád – v několika minutách po vazbě elicitoru, uvolnění Ca2+ a H+ do cytosolu, eflux K+ a Cl-, Ca2+ aktivují oxidativní vzplanutí, zapojení MAP a Ca-dependentích kinas, JA, SA. Jedna interakce vede k indukci rezistence – SAR (systémově získaná rezistence) – po několika dnech po infekci – kys. salicilová. Rostliny mají vyšší hladiny SA a jejího methylesteru, komunikace mezi jednotlivými částmi? Vyšší hladiny hydrolytických enzymů. R geny, leucine-rich domain , patogen, kys. salicilová

34 SOUHRN Liší se od primárního – stavební a energetické látky.
Nemají žádný přímý vliv na růst a vývoj rostlin, v procesech fotosyntézy, respirace, transportu, diferenciace, růstu, tvorby proteinů, cukrů a tuků Sekundární metabolity se nevyskytují obecně v rostlinách, jsou specializované. Dříve význam neznámý, používali se hlavně v medicíně, barviva, jedy, průmyslové materiály. Významné ekologické funkce, vyvinuly se vlivem evoluce interakcí rostlin s okolním prostředím. A)Obrana rostlin vůči herbivorům a patogenům B)Atraktanty pro opylovače, přenašeče semen a interakce rostlina-rostlina. C)Kompetice rostlin a symbióza rostlin-mikroorganizmů 3 hlavní skupiny: terpeny,fenoly, N-obsahující sloučeniny. Syntéza je konstitutivní nebo indukovatelná a ta je regulována rostlinnými hormony – kys. jasmonová a salicylová. Kompetice , Atraktanty, kys. jasmonová , salicylová,